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C++ 数据抽象

什么是数据抽象​

数据抽象是一种编程思想，即只向外界提供关键信息，并隐藏其后台的实现细节，即只表现必要的信息而不呈现细节。

让我们举一个现实生活中的例子：

比如一辆汽车，你可以启动、加速、刹车、转向、添加额外的配件（如摄像头、导航、车载多媒体终端等），但是你不知道这辆车的内部实现细节。也就是说，你并不知道它是如何通过汽油或电能启动的，传动机构如何实现调速，如何监测车速和续航里程并显示在中控屏幕。而且通常情况下，你并不想了解这些细节，你只需要知道如何驱动它、使用它即可。

因此，我们可以说汽车把它的内部实现和外部接口分离开了，实现了解耦合。你无需知道它的内部实现原理，直接通过它的外部接口（如方向盘、踏板、变速杆等）就可以操控汽车。

在 C++ 编程中，数据抽象同时也是一种依赖于接口和实现分离的编程（设计）技术，通常使用类（class）来抽象数据类型（ADT）。

抽象数据类型​

抽象数据类型（Abstract Data Type，简写 ADT）是计算机科学中具有类似行为的特定类别的数据结构的数学模型；或者具有类似语义的一种或多种程序设计语言的数据类型。抽象数据类型需要通过固有数据类型来实现，比如 C++ 的各种基本数据类型。

ADT 抽象数据类型的定义只需要提到可以执行什么操作，而不需要提到如何实现这些操作。也不需要指定如何在内存中组织数据，以及将使用什么算法来实现这些操作。正因如此，所以它被称为“抽象”，实际上，它提供的是一个与实现无关的蓝图（或称为模板）。

只提供设计要点而隐藏实现细节的过程被称为抽象。C++ 面向对象编程思想中，类（class）正是定义抽象数据类型的一大利器！

数据抽象类型 Abstract Data Type

ADT 抽象数据类型的描述包括给出抽象数据类型的名称、数据的集合、数据之间的关系和操作的集合等方面的描述。抽象数据类型的设计者根据这些描述给出操作的具体实现，抽象数据类型的使用者依据这些描述使用抽象数据类型。

抽象数据类型描述的一般形式如下：

ADT 抽象数据类型名称 {
    数据对象：
        ......
    数据关系：
        ......
　　 操作集合：
        操作名1：
        ......
        操作名n：
} ADT抽象数据类型名称

例如，线性表这样的抽象数据类型，其数学模型是数据元素的集合，该集合内的元素有这样的关系：除第一个和最后一个外，每个元素有唯一的前趋和唯一的后继。可以有这样一些操作：插入一个元素、删除一个元素等。

实际上，C++ 标准库中定义的 Array、List、Map、Queue、Set、Stack、Table、Tree 和 Vector 等类型都是 ADT，而这些 ADT 中的每一个都具有许多实现，即 CDT（Concrete Data Type，具体数据类型）。

抽象数据类型总结：

  • 定义：一个数学模型以及定义在该模型上的一组操作。在 C++ 中作为一种数据类型，只定义行为但不实现。
  • 作用：抽象数据类型可以使我们更容易描述现实世界。例：用线性表描述学生成绩表，用树或图描述遗传关系。
  • 关键：使用它的人可以只关心它的逻辑特征，不需要了解它的存储方式。定义它的人同样不必要关心它如何存储。

类和数据抽象​

作为一门面向对象的编程语言，C++ 的类（class）为数据抽象提供了可能。它们可以向外界提供了大量用于操作对象数据的公共方法，并把内部实现细节隐藏起来，因此外界实际上并不清楚类的内部实现。

例如，我们的程序可以调用 sort() 函数，而不需要知道函数中排序数据所用到的算法。实际上，函数排序的底层实现会因库的版本不同而有所差异，但只要接口不变，函数调用就可以照常工作。

我们可以将 ADT 看作一个黑盒，它隐藏了数据类型的内部结构和设计。

C++ 使用访问标签来定义类的抽象接口，访问标签就是指 private: 、protected: 和 public:。

一个类可以包含零个或多个访问标签：

  • 使用公共标签定义的成员都可以访问该程序的所有部分。一个类型的数据抽象视图是由它的公共成员来定义的。
  • 使用私有标签定义的成员无法访问到使用类的代码。私有部分对使用类型的代码隐藏了实现细节。

访问标签出现的频率没有限制。 每个访问标签指定了紧随其后的成员定义的访问级别。指定的访问级别会一直有效，直到遇到下一个访问标签或者遇到类主体的关闭右括号为止。

C++ 程序中，任何带有公有和私有成员的类都可以视为数据抽象，即使用访问标签强制抽象。

示例​

#include <iostream>
using namespace std;

class Muler
{
public:
    // 构造函数
    Muler(int i = 1) {
        total = i;
    }
    
    // 对外的接口
    void mulNum(int number) {
        total *= number;
    }
    
    // 对外的接口
    int getTotal() {
        return total;
    };
    
private:
    // 对外隐藏的数据
    int total;
};

int main(void)
{
    Muler a;
    
    a.mulNum(3);
    a.mulNum(7);
    a.mulNum(11);
    
    cout << "Total " << a.getTotal() << endl; 
    return 0;
}

执行 $ g++ main.cpp && ./a.out 编译运行以上示例，输出结果如下：

Total 231

在该示例中，Muler 类的 mulNum() 和 getTotal() 是对外的接口，调用者需要知道它们以便使用类。私有成员 total 是调用者不需要了解的，但又是类能正常工作所必需的。

数据抽象的好处​

数据抽象有两个重要的优势：

  1. 类的内部受到保护，不会因无意的用户级错误导致对象状态受损。
  2. 类实现可能随着时间的推移而发生变化，以便应对不断变化的需求。

如果只在类的私有部分定义数据成员，该类的开发者就可以随意更改数据。如果实现发生改变，则只需要检查类的代码，看看这个改变会导致哪些影响。而如果数据是公有的，那么任何直接访问旧表示形式的数据成员的函数都可能受到影响。

因此，在使用 C++ 编程时，应当注意以下几点：

  • 使用抽象把代码分离为接口和实现。
  • 在设计组件时，一定要保持接口独立于实现。这样，如果改变底层实现，接口也可以保持不变，不管任何程序使用接口，接口都不会受到影响，只需要将最新的实现重新编译即可。